Как из шагового двигателя сделать асинхронный
Как работает шаговый электродвигатель?
Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.
Что такое шаговый двигатель?
Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.
В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.
Преимущества и недостатки шагового электродвигателя
К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:
К недостаткам применения шагового двигателя относятся:
Устройство и принцип работы
На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.
В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.
Типы шаговых двигателей
Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.
По конструкции ротора
Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.
Реактивный
Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.
С переменным магнитным сопротивлением
Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.
С постоянными магнитами
В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.
С постоянным магнитом
Гибридные
Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.
Устройство гибридного шагового двигателя
Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.
Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:
Расположение пазов гибридника
Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.
Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД
За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.
Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.
По виду обмоток
На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.
Униполярный
Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.
Униполярный ШД
Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.
Схема а) с различными, б) с одним выводом
Биполярный
Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.
Биполярный шаговый двигатель
В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.
Подключение шагового двигателя
Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.
В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.
Типичные схемы подключения ШД
В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:
Схемы подключения различных типов шаговых двигателей
При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:
Управление шаговым двигателем
Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.
Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.
Волновое управление
Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.
Полношаговое управление
Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.
Полушаговое управление
Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.
Без контроллера
Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.
Схема Н-моста
Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.
С контроллером
Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.
Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя
Популярные схемы управления ШД
Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.
Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»
В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.
Простейший драйвер шагового двигателя своими руками
Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).
Схема простейшего драйвера
Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.
На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.
Полезное видео
Плавность хода, шум и момент шагового двигателя при управлении микроконтроллером
Далее опишу алгоритм управления ШД с помощью микроконтроллера.
Перед тем, как начать описывать задачу, я изложу основы управления ШД, которые будут включать необходимый минимум для рассмотрения, описанных в статье способов управления.
Способы подключения обмоток, необходимые для осуществления данного режима работы. Полношаговый режим управления при задействовании на один шаг двух фаз.
Изменение полярности обмотки с помощью Н-моста.
Принципиальная электрическая схема, включающая в себя 4 драйвера полумоста и 2 Н-моста.
Способ модуляции синусоидального сигнала с помощью широтно-импульсной модуляции (далее просто ШИМ).
Способы подключения обмоток.
ШД имеют 4,5,6 или 8 выводов обмоток. При подключении к модулю управления ШД в каждом конкретном случае необходимо задействовать определенные выводы. В четырех выводном ШД задействуются все четыре вывода. Пяти выводной ШД не подходит для метода управления, описываемого в этой статье. В шести выводном не задействуются выводы нейтральных точек. В восьми выводном ШД обмотки соединены последовательно (см. рис. 1). Конечно можно задействовать все выводы обмоток, но эти методы управления выходят за рамки статьи.
Рис.1
Описание полношагового режима управления.
Рис.2
Рис.3
Для управления ШД используют два Н моста чаще всего на основе восьми N-канальных MOSFET транзисторов. Для управления транзисторами используются мостовые или полумостовые драйверы. Напряжение на затворе зачастую должно быть выше напряжения истока транзистора на 5-15В. Для MOSFET транзисторов это делают драйверы.
Кроме того, драйверы силовых ключей, в отличие от простых преобразователей уровня, снабжены множественными механизмами защиты как самого драйвера, так и управляемых ключей. Это позволяет выполнять формирование выходных управляющих сигналов согласно определенным алгоритмам, чтобы предотвратить выход системы из строя в аварийной ситуации.
Механизм встроенного временного промежутка Dead-Time обеспечивает гарантированное закрытие одного силового ключа до момента начала открытия ключа в противоположном плече. Гарантией надежного закрытия противоположного транзистора является встроенная схема, контролирующая состояние ключей и наличие схемы задержки, формирующей промежуток времени, в течение которого закрыты оба транзистора в плечах полумоста.
На рис.4 приведена принципиальная электрическая схема управления ШД, включающая в себя 4 драйвера полумоста IR2104S и 2 Н-моста на основе транзисторов IRF7836. При подаче 0 В на вход SD драйвера IR2104s драйвер переходит в неактивное состояние.
На приведенной схеме сигнал с диаграмм можно подавать на 4 входа. Так на ШИМ1 А+, на ШИМ2 А-, на ШИМ3 В+, на ШИМ4 В- соответственно (Рис.4).
Рис.4
Ниже кратко опишу принцип работы ШИМ, расчет и модулирование синусоиды.
ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция или pulse-width modulation) – это способ изменения мощности, подаваемой на нагрузку. Управление заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды, следующих через равные интервалы времени.
На рис.5 видно, как регулируется мощность. Так 20%, 40%, 80%, 100% это время, когда транзистор открыт относительно времени периода. Соответственно среднее напряжение будет приблизительно равно 20%, 40%, 80%, 100% от максимального.
Рис.5
Меняя ширину импульса, можно модулировать различную форму сигнала. Так, по синусоидальному закону, при котором ширина импульсов изменяется следующим образом (рис. 6), максимальна в середине шага, а к началу и концу шага уменьшается. Синусоиду можно увидеть на осциллографе, пропустив ШИМ-сигнал с контроллера через RC фильтр. Для RC фильтра использовал конденсатор 2.2 нФ и резистор 1.5кОм.
На рис. 6 показан пример модуляции одного синусоидального шага, состоящего всего из 4 уровней напряжения. Напряжение питания 12В.
Рис.6
Для формирования модулированного сигнала необходимо рассчитать уровни ШИМ и их количество на один шаг. На рис.7 приведено два примера одного синусоидального шага с разным количеством ШИМ уровней, где ШИМ можно изменять в пределах от 0 до 255, что соответствует напряжению от 0 до 100%. Как видно на рис.7, чем больше уровней ШИМ, тем больше форма модулированного сигнала будет повторять синусоиду. Каждое изменение ШИМ происходит по прерыванию таймера в микроконтроллере. Меняя время срабатывания прерывания, можно регулировать время одного шага соответственно и скорость двигателя.
Рис.7
Формулу для расчета ШИМ уровней можно получить из формулы мгновенных значений синусоидальных функции. U = Umsin(ω*t + Ψ)
Рис.8
Синусоида от 0 до Т/4 повторяет форму половины шага, а от T/4 до Т/2 зеркально отображает вторую половину шага. Поэтому для расчета достаточно взять участок от 0 до Т/4 или от 0° до 90°. ωt – для удобства можно заменить на угол α = 0° до 90°. Um заменим на максимальное значение ШИМ_max в примере 255. U заменим на ШИМ_N. Получается ШИМ_N = ШИМ_maxSIN(α). Количество вычислений уровней ШИМ зависит от величины точности к примеру 16 с шагом угла 90°/16 = 5,625°
Значения ШИМ необходимо округлять, так как оно может быть только целым.
Вычислив уровни ШИМ, можно модулировать синусоиду. Для этого я занес значения уровней в массив по прерыванию от таймера, поочередно подставляя значения от ШИМ_0 до ШИМ_16 в ШИМ контроллера. Так модулируется половина шага. Для модуляции второй половины нужно наоборот подставлять значения от ШИМ_16 до ШИМ_0.
Так модулируется один шаг. Меняя время срабатывания таймера можно менять время шага. Теперь такие синусоидальные шаги можно подавать, заменив прямоугольные шаги на диаграммах (рис.2).
0 25 50 74 98 120 142 162 180 197 212 225 236 244 250 254 255
На этом необходимый минимум основ управления ШД завершается. Далее будет описана поставленная задача, возникшие трудности и их решение.
Осовные характеристики двигателей:
двигатель №1 Рабочий ток 3,1 А. Активное сопротивление обмотки 1,5 Ом Индуктивность обмотки 3,5 мГн. Момент удержания 0,3 кг*м Величина полного шага 1,8° (200 шагов на один оборот ротора).
двигатель №2 Рабочий ток 4А. Активное сопротивление обмотки 0,8 Ом. Индуктивность обмотки 3,1 мГн. Момент удержания 0,45 кг*м. Величина полного шага 1,8° (200 шагов на один оборот ротора).
двигатель №3 не соответствовал характеристикам, заявленным производителем. Производитель утверждал, что он является аналогом двигателя №2. При замере активного сопротивления обмоток выяснилось, что сопротивление не соответствовало заявленным 0,8 Ом, а составляло всего 0,2 Ом. Следовательно, рабочий ток и индуктивность тоже отличались.
Изначально решить поставленную задачу я планировал с помощью готового блока управления ШД. Было испытано около пяти готовых блоков управления ШД разной ценовой категории и разных производителей. У всех были приблизительно одни и те же результаты, которые будут описаны ниже.
При испытании двигатель №3 по шуму и вибрациям отличался от первых двух в худшую сторону. Также было замечено, что все блоки управления с этим двигателем сильно грелись. Было решено больше не использовать этот двигатель.
Проблема №1. Свист двигателя. При уменьшении тока на блоках управления шум становился меньше, двигатель более плавно вращает ротор, и всё-таки шум и плавность вращения оставляли желать лучшего. При увеличении дробления шага на блоках управления до 1/16 шум уменьшился, и плавность хода увеличилась, но эти улучшения были незначительны. Дальнейшее повышение дробления вплоть до 1/512 не привело к улучшению показателей.
Решение проблемы №1. Решил сделать свой драйвер управления ШД на основе микроконтроллера PIC18F2331. Он заточен под управление двигателями. Было задействовано 4 канала широтно-импульсной модуляции для управления 4 драйверами полумоста.
Я начал эксперименты с формой сигнала, модулируемого с помощью ШИМ. Подавал треугольный, прямоугольный, трапециевидный сигналы на обмотки двигателя. Результаты: неутешительные показатели по шуму, вибрации и плавности хода были значительно хуже по сравнению с готовыми блоками управления. Подавая на обмотки двигателя синусоидальный сигнал, плавность хода, начиная от 5 об/мин и выше, стала практически незаметной на глаз. Детали механизма не гремели, но если скорость была ниже 5 об/мин, детали гремели, механизм передвигался рывками, ток потребляемый двигателем рос и выходил за пределы рабочего тока двигателя. Что касается шума, даже при скорости выше 5 об/мин был неприятный шум. Свист похожий на звук, издаваемый зарядными устройствами для телефонов ноутбуков, только гораздо сильнее. Такой же шум я слышал от асинхронных двигателей, управляемых частотными преобразователями. Изучив работу частотных преобразователей, стало ясно, что свист зависит от частоты ШИМ. У меня частота ШИМ составляла 4кГц. При изменении частоты свист менялся, и когда я поднял частоту до 20кГц, шум полностью пропал. Слух человека в большинстве случаев не воспринимает частоту выше 20кГц.Так была решена проблема №1.
Проблема №2. Двигатель ниже 5 об/мин двигается рывками, а ток сильно возрастает, так как у драйвера нет обратной связи по току, соответственно и контроля по перегрузке тоже нет.
Решение проблемы №2. Когда напряжение питания драйвера с 12V снизил до 9V, рывки при передвижении механизма тоже стали меньше, но всё равно недостаточно плавно. Тогда напряжение выставил 12V, а амплитуду ШИМ синусоиды начал уменьшать, и при 20% амплитуды от максимума движение было плавным и тихим.
Для примера покажу график Рис.9. Взятый из даташита.
На двигатель FL86STH156-6204 ток фазы 6,0 А. Максимальный постоянный ток потребления от источника питания 3,8 А для блока SMD-9.0 Блоки управления SMD-9.0 (напряжение 72В) и SMD-82 (напряжение 220В) Дробление шага ½, источник питания 72 В, 300 Вт.
Рис.9
Чем больше напряжение подается на обмотки ШД, тем быстрее идет нарастание тока в них. Соответственно зависимость момента от скорости улучшается.
В моем случае питание 12В и диапазон допустимых скоростей невысок, так как момент стремительно падает с увеличением скорости.
Так как при равномерном ускорении не удавалось разогнать механизм. Я решил разделить ускорение на три диапазона. Первый при скорости ниже 5 об/мин ускорение максимально, так как момент максимально высокий. Второй диапазон от 5 до 7 об/мин ускорение уже в три раза меньше и последний третий диапазон от 7 об/мин и выше, ускорение в десять раз меньше относительно первого диапазона. Таким образом двигатель набирал максимально быстро скорость в начале пути и укладывался в 1с. Нелинейно разгоняя двигатель, можно значительно сократить время разгона ШД. Замедление механизма проходило в обратном порядке. Так как сохраненной осциллограммы сигнала, подаваемого на драйверы полумостов, у меня не осталось, я нарисовал, как, примерно, должна выглядеть осциллограмма.
Рис.10
Решение проблемы №4. Целесообразно для измерения скорости использовать 12 разрядный датчик это 4096 бит. Точность измерения увеличится в четыре раза, что позволит точно подбирать скорость движения механизма под скорость движения руки.
Так была решена последняя проблема.
Думаю, эта статья принесет практическую пользу и поможет читателю лучше понять принципы управления шаговым двигателем.